CapTac – Das kapazitive taktile Sensorarray für präzises Greifen in der Robotik

Das präzise Greifen von zerbrechlichen oder glatten Objekten ist in der Industrie- und Servicerobotik nach wie vor eine Herausforderung. Herkömmliche taktile Sensoren erfassen meist nur den vertikalen Anpressdruck und übersehen seitliche Kräfte, die zu einem Rutschen des Objekts führen können. Das neu entwickelte kapazitive Sensorarray CapTac der Universität Klagenfurt in Zusammenarbeit mit dem Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) liefert eine kostengünstige, drahtlose und modulare Lösung, die sowohl Normal- als auch Scherkräfte simultan misst und damit die Sicherheit und Effizienz von Robotergreifern deutlich erhöht.

Problemstellung: Grenzen herkömmlicher taktiler Sensoren

In vielen industriellen Anwendungen scheitert das Greifen an fehlender Feinfühligkeit. Ohne Messung von Scherkräften können Greifer nicht erkennen, wann ein Objekt zu rutschen beginnt – ein Umstand, der zu Beschädigungen oder Produktionsausfällen führt. Zudem sind konventionelle Sensorhäute häufig kabelgebunden, was zu Kabelbrüchen und aufwendigen Wartungen führt.

Innovative Zellarchitektur und 3D-Kraftvektormessung

CapTac nutzt eine Matrix von 9 Sensorzellen in einem 3 × 3-Raster. Jede Zelle enthält vier dreiecksförmig angeordnete Elektroden, die unter einer leitfähigen Polymerschicht in einer flexiblen Silikonmatrix eingebettet sind. Durch die asymmetrische Verformung des Silikons bei seitlichen Belastungen ändern sich die Kapazitäten zwischen den Elektroden, sodass das System nicht nur den Druck, sondern auch die Richtung und Größe von Scherkräften exakt ermitteln kann.

• Anzahl Zellen pro Sensorarray: 9 (3 × 3-Raster)
• Elektroden pro Zelle: 4 (dreieckige Anordnung)
• Material: leitfähige Elektroden in flexibler Silikonmatrix
• Messprinzip: Kapazitive Erfassung der Silikonverformung in allen Raumrichtungen

Messprinzip im Detail

Wenn eine Querkraft auf die Silikonfläche wirkt, verformen sich die Schichten asymmetrisch zu den darunterliegenden Messelektroden. Das System berechnet aus den gemessenen Kapazitätsänderungen den vollständigen Kontaktkraftvektor – also sowohl Normalkraft als auch Scherkräfte – und ermöglicht so eine frühzeitige Slip-Detection.

„Greift ein Mensch nach einem Objekt, kann er erkennen: Wie und wie stark kann ich das Objekt greifen? Für Maschinen ist es entscheidend, Kontaktflächen zu erkennen und die Verteilung von Normal- und Scherkräften zu messen, insbesondere dann, wenn es darum geht, zu erkennen, ob ein Objekt rutscht oder ob ein Objekt so empfindlich ist, dass es bei zu starkem Druck Schaden nehmen könnte“, erklärt Hubert Zangl.

Hinter dem Funktionsprinzip steht ein mathematisch wie physikalisch ausgeklügeltes Layout: Die Sensorfläche gliedert sich in ein Raster aus neun Messzellen, die jeweils mit vier dreieckigen Elektroden bestückt sind (Ergun et al., 2026). Wirkt beim Greifen eine Querkraft auf das elastische Silikon ein, verformen sich die Schichten asymmetrisch zu den darunterliegenden Messelektroden. Dadurch kann das System nicht nur das Gewicht und die Druckverteilung kalkulieren, sondern den Kontaktkraftvektor dreidimensional auflösen. Spezielle Schirmungsmechanismen minimieren zudem externe elektromagnetische Interferenzen, die im Umfeld starker Industriemotoren unvermeidlich sind.

Wissenschaftliche Validierung und internationale Kooperation

Die Technologie wurde von Erstautor Serkan Ergun gemeinsam mit Hubert Zangl und weiteren Forschenden der Universität Klagenfurt in enger Kooperation mit dem Center for Materials Interfaces des Istituto Italiano di Technologie (IIT) entwickelt. Die Ergebnisse wurden im Peer-Review-Journal IEEE Robotics and Automation Letters (Vol. 11, No. 3, Seiten 3668-3675) veröffentlicht (2026-02-09). Die Publikation liefert detaillierte Messdaten, Elektrodengeometrien und experimentelle Validierungen, wodurch die Innovation akademisch verankert ist.

Wirtschaftliche Relevanz und Marktaussichten

Der Bedarf an taktilen End-of-Arm-Tools wächst rasant, getrieben durch den Trend zu kollaborativen Robotern (Cobots) und die zunehmende Automatisierung im E-Commerce-Kommissionierungsprozess. Laut Fortune Business Insights wird der weltweite Markt für Robotergreifer von 2,07 Mrd. USD (2025) auf 4,69 Mrd. USD (2034) bei einer jährlichen Wachstumsrate von 9,53 % anwachsen. Der Markt für kapazitive taktile Sensoren wird von Global Market Insights auf 5,9 Mrd. USD (2024) prognostiziert und soll bis 2034 18,0 Mrd. USD erreichen – ein CAGR von 11,8 %. Günstig produzierte, nachrüstbare Sensorpads wie CapTac können bestehende Parallelgreifer ohne kostenintensive Neukonstruktion auf ein feinfühliges Leistungsniveau heben.

• Globales Marktvolumen Robotergreifer 2025: 2,07 Mrd. USD
• Prognose 2034: 4,69 Mrd. USD (CAGR 9,53 %)
• Marktvolumen kapazitive taktile Sensoren 2024: 5,9 Mrd. USD
• Prognose 2034: 18,0 Mrd. USD (CAGR 11,8 %)

Praktische Vorteile: Drahtlose, modulare und kostengünstige Bauweise

CapTac-Sensorpads sind modular aufgebaut, lassen sich werkzeuglos austauschen und kommunizieren drahtlos mit der Greifersteuerung. Dieses Design eliminiert Kabelbrüche, reduziert Wartungsaufwand und ermöglicht eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Greifergeometrien. Die Fertigung erfolgt kostengünstig über leitfähige, flexible Elektroden in einer Silikonmatrix, was die Skalierbarkeit für industrielle Anwendungen unterstützt.

Herausforderungen und Risikofaktoren

Wie jede neue Technologie birgt auch CapTac potenzielle Schwachstellen:

• Materialermüdung und thermische Drift: Weiche Silikonelastomere können bei Millionen Greifzyklen altern, verschleißen oder temperaturabhängige Messeigenschaften zeigen. Regelmäßige Kalibrierung oder ein Pad-Tausch kann erforderlich sein.
• Latenz und EMV-Störungen: In stark abgeschirmten oder funkbelasteten Produktionshallen muss die kabellose Datenübertragung echtzeitfähig und gegen elektromagnetische Störungen geschützt sein, um Fehlalarme bei Hochgeschwindigkeits-Greifprozessen zu vermeiden.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

• Wie unterscheidet sich CapTac von herkömmlichen taktilen Sensoren? Klassische Sensoren messen meist nur den vertikalen Anpressdruck. CapTac nutzt ein 3 × 3-Raster mit vier Dreieckselektroden pro Zelle und erfasst damit sowohl Quer- als auch Normalkräfte, sodass ein Rutschen des Objekts frühzeitig erkannt wird.
• Wo wurde die Entwicklung wissenschaftlich begutachtet? Die Methodik und Messergebnisse wurden 2026 im IEEE Robotics and Automation Letters von einem Team der Universität Klagenfurt und des IIT veröffentlicht.
• Warum ist die drahtlose und modulare Bauweise ein Vorteil? Kabelbrüche und aufwendige Reparaturen entfallen. Die modularen Pads lassen sich bei Abnutzung werkzeuglos austauschen und kommunizieren drahtlos mit der Greifersteuerung, was Ausfallzeiten reduziert.

Fazit

CapTac stellt einen bedeutenden Fortschritt in der taktilen Sensorik für Robotergreifer dar. Durch die simultane Erfassung von Normal- und Scherkräften, die modulare und drahtlose Bauweise sowie die kostengünstige Fertigung ermöglicht das System ein präziseres, sichereres Greifen von empfindlichen und glatten Objekten. Die akademische Validierung in einem renommierten Fachjournal und die klare Marktnachfrage unterstreichen das Potenzial von CapTac, die nächste Generation adaptiver Industrie- und Servicerobotik zu prägen – vorausgesetzt, die genannten Herausforderungen werden durch geeignete Kalibrierungs- und EMV-Strategien adressiert.